Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

bip_lab1 / BIP_LAB

.DOC
Скачиваний:
8
Добавлен:
04.04.2013
Размер:
947.71 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра электроники и электротехники

Изучение статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и определение параметров его модели для схемотехнических расчетов.

Методические указания

к лабораторной работе

МОСКВА 1999

1. Цели работы:

Целями лабораторной работы являются:

- Экспериментальное исследование входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора;

-Приобретение навыков определения параметров схемотехнической модели Гуммеля-Пуна биполярного транзистора по результатам измерения его ВАХ;

-Приобретение навыков расчета схем с помощью программы схемотехнического анализа РSPICE.

2. Краткие теоретические сведения.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. Полупроводниковый кристалл такого транзистора состоит из трех различных областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два p-n перехода, расположенных в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения трех областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис.1,а,б. Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области - соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К). P-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором и базой - коллекторным. Часть поверхностей эмиттера, базы и коллектора покрывают металлическими пленками. К этим пленкам приваривают или припаивают выводы, с помощью которых на переходы транзистора подается внешнее напряжение.

Рис. 1. Структуры и схемное обозначение npn (а) и pnp (б) транзисторов.

На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Прямым считается такое напряжение на переходе, при котором происходит инжекция носителей в переходе ( “+” - на р-области, “-” - на n-области). Соответственно различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки - на оба перехода поданы обратные напряжения; режим насыщения - на оба перехода поданы прямые напряжения; нормальный активный режим - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный - обратное; инверсный активный режим - на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный - прямое.

В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю.

В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. Поэтому можно считать, что в этом режиме между всеми выводами транзистора будет короткое замыкание. Как говорят, транзистор "стягивается в точку", а токи, проходящие через него, будут определяться только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора.

Более сложная картина наблюдается при работе транзистора в активном режиме. В этом случае источник питания EБЭ подключен к эмиттерному переходу в прямом направлении ("минус" на эмиттере), и через эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток (рис. 2.) .

Рис. 2. Процессы в биполярном транзисторе в

нормальном активном режиме работы.

При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны, а из базы в эмиттер - дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок и именно он определяет основные процессы, происходящие в транзисторе. Из-за разности концентраций (в бездрейфовых транзисторах) и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся к коллектору, стремясь равномерно распределиться по всему объему базы. Так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратносмещенного перехода (источник питания EБК подключен минусом к базе). А так как они являются в базе неосновными носителями, то происходит переброс электронов через коллекторный переход в область коллектора ( их экстракция ). В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Дрейф электронов через коллекторный переход снижает их концентрацию в той части области базы, которая расположена непосредственно около коллекторного перехода, что создает направленную диффузию инжектируемого эмиттером потока электронов. Все это приводит к тому, что большинство электронов, инжектированных эмиттером в базу, попадает в область коллектора, но все-таки небольшая часть их успевает рекомбинировать в области базы. Поэтому коллекторный ток IК всегда оказывается меньше эмиттерного IЭ, а рекомбинация электронов вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы IБ.

При количественном анализе процессов, происходящих в биполярном транзисторе, работающем в активном режиме, прежде всего вводят коэффициент передачи эмиттерного тока aN, под которым понимают отошение коллекторного тока к эмиттерному

aN = IК /IЭ. (1)

Выражение для полного тока коллектора, который является суммой токов инжектированных эмиттером и обратного тока коллектора, имеет вид

IК = aNIЭ - IК0 [ exp (UК /jт) - 1]. (2)

На практике вместо (2) часто пользуются более простым, приближенным выражением. Учитывая, что для биполярных транзисторов рабочим является участок, где (UК /jт)>> 1, обратный ток коллекторного перехода практически постоянен и равен IК0, а (2) записывают так

IК = aN IЭ + IК0 (3)

Между всеми токами биполярного транзистора существует очевидное соотношение

IЭ = IК + IБ (4)

и если при расчете коллекторного тока за "начало отсчета" взять не ток эмиттера, а ток базы, то из (3) и (4) нетрудно получить, что полный ток коллектора

IК = [aN /(1 - aN)] IБ + [1 /(1 - aN)] IК0 =bNIБ + (bN + 1) IК0 = bNIБ +IК0, (5)

где

bN = aN /(1 - aN) ~ IК /IБ (6)

называют коэффициентом передачи базового тока, или коэффициентом усиления.

Коэффициенты aN и bN являются важнейшими физическими параметрами биполярного транзистора, причем aN ~ 1, a bN >> 1. Так, для современных транзисторов aN = 0.9 - 0.995, a bN = 10 - 1000.

Hаиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Однако, прежде чем рассматривать их, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор - "токовый" прибор, так как основные процессы, протекающие в таком транзисторе, определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора достаточно сильно связаны друг с другом, для полной характеристики транзистора нужно иметь не отдельные характеристики, а семейства ВАХ : входных и выходных. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ транзистора.

Различают три схемы включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). В данной лабораторной работе транзистор включен по схеме с ОЭ.

В схеме с ОБ (рис.3 ,a) входным током транзистора является ток эмиттера, входным напряжением - напряжение между эмиттером и базой, а входными ВАХ - семейство Iэ (Uэб) при Uкб = const (рис. 2, б). (Выбор напряжения Uкб в качестве параметра этого семейства ВАХ связан с тем, что в активном режиме на коллекторный переход подается обратное напряжение, а в этом случае, при большом изменении напряжения, ток через переход меняется очень мало). Фактически это будут характеристики эмиттерного перехода, учитывающие влияние второго перехода транзистора - коллекторного. Характеристика с параметром Uкб = 0 будет обычной характеристикой p-n перехода - такой же, как и в диоде (большой прямой ток Iэ при Uэб > 0, который сильно зависит от Uэб, и малый обратный, почти не изменяющийся ток при Uэб < 0). Взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов связано с тем, что изменение Uкб приводит к изменению ширины коллекторного перехода, а значит, и ширины базы, за счет чего меняется величина тока Iэ. При Uкб > 0 ширина базы увеличивается, ток Iэ уменьшается, а кривые Iэ (Uэб) сдвигаются вправо; при Uкб < 0 эти кривые сдвигаются влево. Hо все входные ВАХ располагаются очень близко друг к другу, что говорит о слабом влиянии коллектора на процессы, протекающие во входной цепи транзистора. Кроме того, входные ВАХ биполярного транзистора обладают существенной нелинейностью, что приводит к значительным искажением сигналов во входной цепи транзистора (рис. 3, б).

Выходным напряжением транзистора в схеме с ОБ является напряжение между коллектором и базой, выходным током - ток коллектора, а выходными ВАХ - семейство Iк (Uкб) при Iэ = const. (рис. 3, в). (Здесь в качестве параметра семейства выходных ВАХ уже выбирают ток, так как при прямом напряжении на эмиттерном переходе при большом изменении тока напряжение меняется мало). Выходные BAX будут характеристиками коллекторного p-n перехода, но такого перехода в базу которого извне инжектируются свободные носители зарядов. Характеристика этого семейства для Iэ = 0 снова будет обычной BAX p-n перехода. При Uкб < 0 выходным током транзистора будет обратный ток коллекторного перехода, который, как это неоднократно отмечалось, будет определяться собственной электропроводностью полупроводникового кристалла и мало зависит от напряжения на переходе. Поэтому в области Uкб < 0 характеристика Iк (Uкб) при Iэ = 0 идет почти параллельно оси абсцисс. При Uкб > 0 выходным током транзистора является прямой ток коллекторного перехода, величина которого определяется практически только напряжением Uкб, а ток Iк резко меняется при изменении выходного напряжения. При Iэ > 0 и Uкб < 0 на величину выходного тока транзистора основное влияние оказывает ток, обусловленный инжекцией электронов через эмиттерный переход и его изменения приводят к пропорциональному изменению тока коллектора. Поэтому семейство BAX транзистора в схеме с ОБ, при Iэ > 0 и небольших отрицательных напряжениях на коллекторе представляет собой ряд прямых, идущих почти параллельно оси абсцисс. В области больших отрицательных значений Uкб выходные ВАХ начинают заметно изгибаться, так как напряжение на коллекторном переходе приближается к напряжению пробоя (рис. 3, в).

Рабочая область семейства выходных ВАХ биполярного транзистора на рис. 3,в расположена в третьем квандранте, что неудобно. Поэтому в транзисторной электронике за положительное направление выходного тока транзистора принимают направление обратного тока коллекторного перехода, так же, как ось - Uкб совмещают с положительным направлением оси абсцисс. Тогда выходные ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ принимает вид, показанный на рис.3, г.

В схеме с ОЭ (рис.4, а) входными ВАХ транзистора является семейство зависимостей тока базы (Iб) и коллектора (Iк) от напряжения между базой и эмиттером (Uбэ) при Uкэ - const (рис. 4, б).

Выходным током транзистора в схеме с ОЭ будет ток коллектора, выходным напряжением - напряжение между коллектором и эмиттером, а выходными ВАХ - семейство Iк (Uкэ) при Iб - const. В зависимости от соотношений между Uкэ и Uбэ режим транзистора меняется. При Uкэ < Uбэ и одинаковой полярности напряжений ("плюс" на базе и на коллекторе) транзистор находится в режиме насыщения, так как и на эмиттерном, и на коллекторном переходах будет прямое напряжение. При увеличении Uкэ напряжение на коллекторном переходе сначала станет равным нулю, а затем (при Uкэ > Uбэ) окажется обратным. При этом транзистор переходит в активный режим. В активном режиме выходной ток транзистора в основном определяется током, обусловленным инжекцией электронов из эмиттера, а на семействе выходных ВАХ будут наблюдаться пологие участки (рис.4, в). Эти участки семейства выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ имеют гораздо больший и неодинаковый наклон по сравнению со схемой с ОБ. Наклон характеристик вызван тем, что при увеличении по модулю обратного напряжения Uкэ увеличивается толщина обедненного слоя перехода база-коллектор, уменьшается толщина слоя базы и, соответственно возрастает коэффициент передачи тока базы.

Схемотехнические модели биполярного транзистора.

Для анализа электронных схем с помощью специальных программ схемотехнического анализа (например, SPICE), необходимо иметь модель каждого элемента схема с соответствующими параметрами . Для биполярного транзистора такими моделям являются модели Эберса-Молла (рис. 5, а) и, используемая в программе SPICE, зарядоуправляемая модель Гуммеля-Пуна (рис. 5, б).

Рис. 5 . Схемотехнические модели биполярного транзистора: Эберса-Молла (а) и Гуммеля-Пуна (б).

Модель Эберса-Молла

Простая и удобная для простых расчетов физическая модель биполярного транзистора предложена Дж.Дж.Эберсом и Дж.Л.Моллом более 40 лет назад (в 1954 г). Для п-р-п транзистора она имеет вид, показанный на рис. 5, а.

В модели Эберса-Молла p-п переходы транзистора представлены диодами, а их взаимодействие отражается управляемыми источниками тока. При нормальном включении транзистора (N) с помощью источника тока anI1 учитывается влияние тока I1, проходящего через эмитерный переход, на цепь коллектора. При инверсном включении (I) влияние тока I2, проходящего через kоллекторный переход, на цепь эмиттера учитывается с помощью источника тока aII2. Диоды описываются ВАХ идеального р-п перехода

I1 = Iэ0' [exp (Uэ / jт) - 1], (7)

I2 = Iк0' [exp (Uк / jт) - 1], (8)

Iк0' = Iк0 / (1 - aN aI), (9)

Iэ0' = Iэ0 / (1 - aN aI). (10)

Так как Iэ = I1 - aI I2, (11)

Iк = aN I1 - I2, (12)

то в модели Эберса-Молла выражения для эмиттерного и коллекторного токов транзистора имеют вид:

Iэ = [ Iэ0 (exp (Uэ / jт) - 1)- aI Iк0 (exp (Uк / jт) - 1)] /(1 - aN aI), (13)

Iк = [ Iк0 (exp (Uк / jт) - 1)- aN Iэ0 (exp (Uэ / jт) - 1)] /(1 - aN aI) (14)

Iб = Iэ - Iк (15)

Последние выражения представляют собой соответственно уравнения семейства выходных и входных ВАХ биполярного транзистора. Их называют формулами Эберса-Молла и они с достаточной степенью точности отражают основные процессы в биполярном транзисторе. Однако уравнения ( 13), (14) описывают лишь идеализированные ВАХ транзистора, так как в модели не учитывается ряд факторов, имеющих место в реальных транзисторах. К числу таковых относятся, например, внутренняя обратная связь, пробой р-п перехода, зависимость a от тока.

Модель Эберса-Молла справедлива для всех четырех областей работы транзистора: отсечки, насыщения, активной (нормальной и инверсной). При моделировании работы транзистора только в одной области эквивалентные схемы транзистора значительно упрощаются. Для области насыщения тpанзистоp в пеpвом пpиближении можно заменить коpотким замыканием, а для области отсечки - pазpывом.

Модель Гуммеля-Пуна.

Как видно из рисунка 5, б , в модели имеется:

- два диода, отображающие переходы база-эмиттер и база-коллектор;

- генератор тока Iэк, описывающий передачу тока от эмиттера к коллектору и наоборот;

- емкости переходов база-эмиттер и база-коллектор, включающие барьерную составляющую и диффузионную;

- сопротивления областей базы, эмиттера и коллектора.

Генератор сквозного тока Iэк описывается выражением:

Iэк=Is/Qб (exp (Uбэ / nfjт)- exp (Uбк / nrjт) (16)

где Is - ток насыщения (не путать с понятием “режим насыщения”), имеющий порядок 10-12-10-15 А

Uбэ, Uбк - напряжения на переходах база-эмиттер и база-коллектор;

jt- тепловой потенциал, равный при 27 градусах Цельсия0.026 В;

nf, nr - коэффициенты неидеальности переходов база-эмиттер и база-коллектор (их значения близки к единице);

Qб - заряд в базе транзистора, учитывающий высокий уровень инжекции.

Токи базы в прямом и инверсном включении описываются с помощью выражений:

Iбэ= Is/Bf (exp (Uбэ / nfjт)-1) (17)

Iбк= Is/Br (exp (Uбк / nкjт)-1) (18)

где Bf и Br коэффициенты усиления тока базы в прямом и инверсном включении.

Определение основных параметров модели.

Основными параметрами модели Гуммеля-Пуна, определяемыми в лабораторной работе, являются:

Is - ток насыщения (А);

nf - коэффициент неидеальности в прямом включении;

Bf - коэффициент усиления тока базы в прямом включении;

Vaf - напряжение Эрли в прямом включении (В);

Rb - сопротивление базы транзистора (Ом);

Rс - сопротивление базы транзистора (Ом);

Определение с о п р о т и в л е н и я к о л л е к т о р а "Rc". (рис.6).

Снимаются выходные ВАХ транзистора по схеме рис. 6 (а). Метод основан на том, что в области насыщения наклон ВАХ определяется величиной коллекторного сопротивления (рис. 7 (а)). В области малых токов и напряжений (в области насыщения) берутся приращения напряжения DU1 и приращения тока коллектора DI1. Сопротивление коллектора рассчитывается :

(19)

Определение н а п р я ж е н и я Э р л и "Vaf".

Его величина определяется по наклону зависимости Ik=f(Uкэ) в области больших напряжений (рис. 7 (а) ):

(20)

где I1- значение тока коллектора, в котором берется приращение DI2.

Коэффициенты Is, nf уравнений (16)- (17) находятся следующим способом. Снимаются входные вольт-амперные характеристики Iк=f(Uбэ), Iб=f(Uбэ) по схеме рис. 6 (б). Для определения параметров Is, nf выбирается участок Iк=f(Uбэ), на котором зависимость тока от напряжения является экспоненциальной (рис. 7 (б)) (еще нет влияния сопротивлений). На графике, построенном в логарифмическом масштабе, это будет линейный участок с наибольшей крутизной. На этом участке выбираются две точки, максимально отстоящие одна от другой. Для них можно записать:

Iк1= Is (exp (Uбэ1 / nfjт)-1) ( 21)

Iк2= Is (exp (Uбэ2 / nfjт)-1) (22)

Чтобы найти Is и nf выражения (21), (22) логарифмируются и составляется система уравнений для этих двух точек.

Uбэ1 = nf* 0.026 ln(Iк1/Is+1) (23)

Uбэ2 = nf* 0.026 ln(Iк2/Is+1) (24)

Из этой системы находятся Is и nf (Is находится в пределах от 1Е-15 до 1Е-9 Ампер; nf обычно чуть больше единицы).

Для достаточно больших значений прямого напряжения между базой и эмиттером зависимость тока от напряжения отклоняется от экпоненциальной вследствие падения напряжения на сопротивлении базы. В этом случае напряжение между базой и эмиттером складывается из напряжения на p-n-переходе и напряжения на сопротивлении rb:

Uбэ3=nf 0.026 ln(Iк3/Is+1)+Iб3 rб (25)

Зная Is и nf из предыдущего этапа, из данного уравнения можно найти rb.

Определение к о э ф ф и ц и е н т а усиления по току "Bf". Bf определяется как отношение тока коллектора к току базы в тех точках, где он (Bf) имеет максимум.

Bf=max(Iк/Iб) (26)

3. Описание стенда.

Работа выполняется на универсальном стенде (рис. 8 ) в лаборатории электроники кафедры Э и Э. Исследуемые цепи собираются на основе одного из блоков стенда и внешних дополнительных приборов и устройств: вольтметров, амперметров.

4. Рабочее задание.

1. Снять в ы х о д н ы е вольт-амперных характеристики транзистора по схеме, изображенной на рис. 6 (а).

Изменяя величину источника Eб задать ток базы Iб=30 мкA. Снять зависимость Iк=f(Uкэ) (10 точек в диапазоне от 1В до максимального значения и 10 точек в области резкого спада тока ). Затем данную зависимость снять при значениях тока базы 50 и 70 мкА. Результаты измерений занести в таблицу:

30 мкА

50 мкА

70мкА

Uкэ

По измеренным зависимостям построить семейство характеристик Iк=f(Uкэ), где параметром является ток базы Iб.

Определить с о п р о т и в л е н и я к о л л е к т о р а "Rc" по формуле (19) для ветви характеристики, соответствующей наибольшему току базы.

Определить н а п р я ж е н и е Э р л и "Vaf" по формуле (20) для ветви характеристики, соответствующей среднему значению тока базы.

2. Снять в х о д н ы е вольт-амперные характеристики транзистора Iб=f(Uбэ) и Iк=f(Uбэ) по схеме рис. 6 (б) при напряжении на коллекторе 5 Вольт. Результаты измерений занести в таблицу:

Uбэ

Построить в логарифмическом масштабе зависимости Iб=f(Uбэ) и Iк=f(Uбэ). Определить ток насыщения "Is" и коэффициент неидеальности "nf" c использованием выражений (23)-(24). Определить сопротивление базы “Rb” по выражению (25). Определить коэффициент усиления Bf по выражению (26).

3. С использованием определенных ранее параметров рассчитать по PSPICE выходные и входные характеристики биполярного транзистора.

Пример входного файла для расчеты выходных ВАХ:

Output VAC

Vc 3 0 1V

Vb 1 0 1V

Rk 4 3 500

* Rb имеет большое значение

Rb 1 2 100k

Q1 4 2 0 kt315

.model kt315 NPN(Is=1e-14 Bf=100 Vaf=70 Nf=1.1 Rb=76 Rc=35)

.DC Vc 0 10V 0.05 Vb 3 7 2

.probe

.END

Пример входного файла для расчеты входных ВАХ:

Input VAC

Vc 3 0 1V

Vb 1 0 1V

Rk 4 3 500

* Rb имеет малое значение !!!!!

Rb 1 2 100

Q1 4 2 0 kt315

.model kt315 NPN(Is=1e-14 Bf=100 Vaf=70 Nf=1.1 Rb=76 Rc=35)

.DC Vb 0.3 1 0.05

.probe

.END

ЛИТЕРАТУРА.

1. И. П. Степаненко. “Основы теории транзисторов и транзисторных схем.”, М., Энергия, 1977.

а)

б)

Рис. 6 . Схемы измерения выходных (а) и входных (б) ВАХ биполярного транзистора.

а) б)

Рис. 7. Обработка результатов измерения выходных (а) и входных (б) биполярного транзистора.

Рис.3. Схема включения (а) биполярного транзистора с общей базой и соответсвующие входные (б) и выходные (в, г) вольт-амперные характеристики.

Рис. 4. Схема включения (а) биполярного транзистора с общим эмиттером и соответсвующие входные (б) и выходные (в) вольт-амперные характеристики.

Рис. 8. Блок лабораторного стенда, на котором выполняется работа.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке bip_lab1